專利名稱：一種具有相變儲(chǔ)能功能的相變石墨粉及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱功能復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有相變儲(chǔ)能功能的相變石 墨粉及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著世界人口的不斷增加，能源緊缺已提前到來。能源的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界 的一大難題。相變儲(chǔ)能就是一項(xiàng)非常重要的節(jié)能技術(shù)，它是利用相變材料的相變潛熱來實(shí) 現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用，這有助于提高能效和開發(fā)可再生能源，是近年來能源科學(xué)和材料科 學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的前沿研究方向。相變儲(chǔ)能控溫常用于緩解能量供求雙方在時(shí)間、 強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配的有效方式，在太陽能的利用、電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收 利用，以及工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。雖然相變儲(chǔ)能技術(shù)是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)，但是由于相變材 料在使用中存在著一些致命缺陷(如腐蝕性、不穩(wěn)定性、過冷、傳熱性能差等)，特別是傳 熱性能差，導(dǎo)致使用效果大打折扣。例如，有機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)一般在0. lW/mK左右，而 無機(jī)相變材料在0. 5W/mK左右。導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致了相變材料儲(chǔ)能、放熱功率不高，無法充分 利用相變材料儲(chǔ)能容量，因而限制了其在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有相變儲(chǔ)能功能的相變石墨粉及其制備方法。本發(fā)明提供的具有相變儲(chǔ)能功能的相變石墨粉，采用石墨和無機(jī)鹽相變材料，通 過石墨插層、膨化、浸漬、蒸發(fā)、粉碎、包覆等過程制備獲得。相變石墨粉為一種粉狀復(fù)合材 料，其中無機(jī)鹽相變材料分布于多孔石墨孔隙中(如圖1所示)，既可克服相變材料導(dǎo)熱性能 差問題，又有助于解決滲漏和相容性等問題。無機(jī)鹽相變材料包括各種無機(jī)鹽水合物或高 溫(指相變溫度高于100攝氏度)無機(jī)鹽相變材料，如硝酸鹽、氯化物、氟化物和碳酸鹽及其 混合鹽等O本發(fā)明提供的具有相變儲(chǔ)能功能的相變石墨粉的制備方法，具體步驟如下 (1)石墨插層
采用熱化學(xué)方法對(duì)天然鱗片石墨進(jìn)行插層處理。插層劑選擇濃硫酸，氧化劑選擇高錳 酸鉀。具體步驟為將鱗片石墨、插層劑和氧化劑的混合物置于在恒溫水浴中攪拌加熱。然 后過濾、水洗和烘干插層混合物，制得可膨脹石墨。其中，水浴溫度為20 80° C?；旌衔?重量比例為石墨插層劑氧化劑=1:1 20 :0. 01 5。插層時(shí)間為5 200分鐘。水洗 PH值取0 7。烘干溫度取100 120° C (如為110° C)，烘干時(shí)間2 24小時(shí)。(2)膨化
利用高功率微波爐對(duì)經(jīng)插層的可膨脹石墨進(jìn)行超短時(shí)間膨化，制備膨脹石墨，可減少 對(duì)膨脹石墨微觀結(jié)構(gòu)的破壞，提高膨脹石墨對(duì)相變材料的吸納能力。其具體步驟為將可膨 脹石墨置入透微波容器，然后放入高功率微波爐中膨化。微波爐功率在1000 8000W范圍內(nèi)，膨化時(shí)間范圍為1 5秒。圖2和圖3分別為高功率超短時(shí)間微波膨化的膨脹石墨宏 觀和微觀圖像。(3)浸漬
浸漬過程根據(jù)膨脹石墨和相變材料溶液之間的浸潤(rùn)特性，選擇常壓浸漬和真空負(fù)壓浸 漬兩種方法。當(dāng)膨脹石墨和相變材料溶液之間具有自動(dòng)浸潤(rùn)特性時(shí)選擇常壓浸漬方法；當(dāng) 膨脹石墨和相變材料溶液之間不具有自動(dòng)浸潤(rùn)特性時(shí)選擇真空負(fù)壓浸漬方法。所述常壓浸漬方法，是將膨脹石墨浸入在無機(jī)鹽相變材料的水溶液中24 48小 時(shí)。然后取出浸泡飽和膨脹石墨，放在多孔容器中，浙去多余的液體。所述真空負(fù)壓浸漬方法，首先將膨脹石墨放入真空容器中，然后利用真空泵抽除 真空容器和膨脹石墨孔隙內(nèi)的空氣，真空負(fù)壓高于80kPa，抽真空時(shí)間至少60分鐘(例如 60 80分鐘)。之后在真空負(fù)壓條件下將無機(jī)鹽相變材料的水溶液導(dǎo)入真空容器并浸漬入 膨脹石墨中。然后打開真空容器，將大氣通入，在大氣壓作用下繼續(xù)浸泡至少1小時(shí)(例如 1 1. 5小時(shí))，將無機(jī)鹽相變材料水溶液壓入膨脹石墨孔隙內(nèi)。然后取出浸泡飽和膨脹石 墨，放在多孔容器中，浙去多余的液體。(4)蒸發(fā)
將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱中，烘箱溫度設(shè)置在相變溫度以上10 20° C (針 對(duì)無機(jī)鹽水合物相變材料)或100 120° C (如110° C)(針對(duì)高溫?zé)o機(jī)鹽相變材料)，以 蒸發(fā)多余水分。蒸發(fā)時(shí)間控制在12 48小時(shí)之間。(5)粉碎
采用高速流體的沖擊作用對(duì)其進(jìn)行粉碎。具體步驟為先將液體和膨脹石墨浸漬物 的混合物放入容器中，液體要求與無機(jī)鹽相變材料不相溶，如乙醇、脂肪醇或丙酮等有機(jī)液 體?；旌衔镏幸后w和膨脹石墨浸漬物重量比例控制在2:1 4:1。然后用高速攪拌機(jī)攪拌 0. 5 2分鐘，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為550 700RPM(例如為600RPM)。然后將混合物用200目以上 的篩子過濾。過濾物放入110 130° C (例如120° C)烘箱，烘至恒重，即可得到含有無 機(jī)鹽相變材料的多孔石墨粉。在操作過程中，可先在不銹鋼容器加入約1/2 2/3容積的液體和膨脹石墨浸漬 物，不銹鋼容器可為圓柱形，高度控制在0. 1 0. 5m，直徑控制在0. 1 0. 3m。然后在不銹 鋼容器上蓋上透明有機(jī)玻璃保護(hù)罩。將高速攪拌機(jī)的攪拌葉片伸入混合物中，啟動(dòng)攪拌機(jī)， 并逐漸勻速升高電機(jī)轉(zhuǎn)速，一般情況下，在10 30秒內(nèi)將轉(zhuǎn)速提高到所需轉(zhuǎn)速即可。并保 持在最高轉(zhuǎn)速0.5 2分鐘。然后關(guān)閉電機(jī)，切斷電源，取下透明有機(jī)玻璃保護(hù)罩。將不銹 鋼容器中的混合物用200目以上的篩子過濾。過濾物用玻璃或不銹鋼托盤盛裝，放入烘箱， 烘至恒重。(6)包覆
采用聚合物基復(fù)合材料作為密封膜層包覆多孔石墨粉。可選用樹脂、乳液等作為密封 膜層的基體材料，如環(huán)氧樹脂、丁苯乳液等，采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬或非金屬粉末作為密封 膜層的填料，如鋁粉、銅粉等。采用上述過程制備的相變石墨粉具有導(dǎo)熱性能高、密封性能強(qiáng)、不易滲漏等優(yōu)點(diǎn)， 并能很方便應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如用于生產(chǎn)建筑材料、制作高溫蓄熱裝置和電子散熱等，具有 廣泛的用途。


圖1本發(fā)明相變石墨粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖2膨脹石墨的宏觀圖像。圖3膨脹石墨的微觀圖像。圖4相變石墨粉圖像。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
分別取100克鱗片石墨(100目、95%含碳量)、500毫升濃硫酸(98%的)和50克高錳酸 鉀混合，并置于恒溫水浴中，水浴溫度60° C，插層時(shí)間為60分鐘。插層后混合物用300目 不銹鋼濾網(wǎng)過濾，并用清水洗滌，重復(fù)過濾和清洗過程兩次，水洗PH值為6。最后將過濾物 放入烘箱烘干。烘干溫度為110° C，烘干時(shí)間為12小時(shí)。取烘好石墨插層物100克放入高 功率微波爐中膨化。微波爐功率設(shè)為3000W上。微波作用時(shí)間3秒。采用常壓浸漬方法， 將膨脹石墨浸泡在氯化鈣飽和水溶液中30小時(shí)。取出浙干。將浙干的膨脹石墨浸漬物放 入烘箱烘干，烘干溫度設(shè)置為40度，蒸發(fā)其中多余的水分，蒸發(fā)時(shí)間為30小時(shí)。然后用高 速流體方法粉碎蒸干的膨脹石墨浸漬物，粉碎時(shí)間1分鐘。最后采用環(huán)氧樹脂包覆密封相 變石墨粉。采用差示掃描量熱法測(cè)試相變石墨粉的相變溫度為27攝氏度，相變熱為165J/ go該相變石墨粉為常溫相變材料，可用來制備相變儲(chǔ)能建筑材料，應(yīng)用于節(jié)能建筑。實(shí)施例2
分別取100克鱗片石墨(100目、95%含碳量)、600毫升濃硫酸(98%的)和60克高錳酸 鉀混合，并置于恒溫水浴中，水浴溫度70° C，插層時(shí)間為60分鐘。插層后混合物用300目 不銹鋼濾網(wǎng)過濾，并用清水洗滌，重復(fù)過濾和清洗過程兩次，水洗PH值為7。最后將過濾物 放入烘箱烘干。烘干溫度為110° C，烘干時(shí)間為12小時(shí)。取烘好石墨插層物100克放入 高功率微波爐中膨化。微波爐功率設(shè)為4000W上。微波作用時(shí)間2秒。采用真空負(fù)壓浸漬 方法，在膨脹石墨浸滲硝酸鈉和硝酸鈣飽和水溶液，真空維持時(shí)間120分鐘，在大氣壓作用 下繼續(xù)浸泡2小時(shí)。取出浙干。將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱烘干，烘干溫度設(shè)置為 110度，蒸發(fā)其中所有水分，蒸發(fā)時(shí)間為30小時(shí)。然后用高速流體方法粉碎蒸干的膨脹石墨 浸漬物，粉碎時(shí)間1分鐘。最后采用環(huán)氧樹脂包覆密封相變石墨粉。采用差示掃描量熱法 測(cè)試相變石墨粉的相變溫度為225攝氏度，相變熱為115J/g。該相變石墨粉為高溫相變材 料，可以用于太陽能高溫儲(chǔ)存利用和工業(yè)余熱利用。實(shí)施例3
分別取100克鱗片石墨(100目、95%含碳量)、1000毫升濃硫酸(98%的)和100克高錳 酸鉀混合，并置于恒溫水浴中，水浴溫度75° C，插層時(shí)間為60分鐘。插層后混合物用300 目不銹鋼濾網(wǎng)過濾，并用清水洗滌，重復(fù)過濾和清洗過程兩次，水洗PH值為7。最后將過濾 物放入烘箱烘干。烘干溫度為110° C，烘干時(shí)間為12小時(shí)。取烘好石墨插層物100克放入 高功率微波爐中膨化。微波爐功率設(shè)為5000W上。微波作用時(shí)間2秒。采用真空負(fù)壓浸漬 方法，在膨脹石墨浸滲醋酸鈉飽和水溶液，真空維持時(shí)間120分鐘，在大氣壓作用下繼續(xù)浸 泡2小時(shí)。取出浙干。將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱烘干，烘干溫度設(shè)置為70度，蒸 發(fā)其中多余水分，蒸發(fā)時(shí)間為30小時(shí)。然后用高速流體方法粉碎蒸干的膨脹石墨浸漬物，
5粉碎時(shí)間1分鐘。最后采用環(huán)氧樹脂包覆密封相變石墨粉。采用差示掃描量熱法測(cè)試相變 石墨粉的相變溫度為58攝氏度，相變熱為195J/g。該相變石墨粉為中溫相變材料，可以用 于太陽能建筑儲(chǔ)熱和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種具有相變儲(chǔ)能功能的相變石墨粉，其特征在于采用石墨和無機(jī)鹽相變材料，通 過石墨插層、膨化、浸漬、蒸發(fā)、粉碎、包覆過程制備獲得，其中無機(jī)鹽相變材料分布于石墨 孔隙中；所述無機(jī)鹽相變材料為無機(jī)鹽水合物或高溫?zé)o機(jī)鹽相變材料。
2.如權(quán)利要求1所述的具有相變儲(chǔ)能功能的相變石墨粉制備方法，其特征在于具體步 驟如下(1)石墨插層將鱗片石墨、插層劑硫酸和氧化劑高錳酸鉀的混合物置于在恒溫水浴中攪拌加熱；然 后過濾、水洗和烘干插層混合物，制得可膨脹石墨；其中，水浴溫度為20 80° C ；所述混 合物重量比例為石墨插層劑氧化劑=1:1 20 :0. 01 5，插層時(shí)間為5 200分鐘；水 洗PH值取0 7 ；烘干溫度為100 120° C，烘干時(shí)間2 M小時(shí)；(2)膨化將可膨脹石墨置入透微波容器，然后放入微波爐中膨化；微波爐功率為1000 8000W， 膨化時(shí)間為1 5秒；(3)浸漬浸漬方法分為兩種當(dāng)膨脹石墨和相變材料溶液之間具有自動(dòng)浸潤(rùn)特性時(shí)選擇常壓浸 漬方法；當(dāng)膨脹石墨和相變材料溶液之間不具有自動(dòng)浸潤(rùn)特性時(shí)選擇真空負(fù)壓浸漬方法；所述常壓浸漬方法，是將膨脹石墨浸入在無機(jī)鹽相變材料的水溶液中M 48小時(shí)； 然后取出浸泡飽和膨脹石墨，浙去多余的液體；所述真空負(fù)壓浸漬方法，首先將膨脹石墨放入真空容器中，利用真空泵抽除真空容器 和膨脹石墨孔隙內(nèi)的空氣，使真空負(fù)壓高于SOkPa ；在真空負(fù)壓條件下將無機(jī)鹽相變材料 的水溶液導(dǎo)入真空容器并浸漬入膨脹石墨中；然后將大氣通入，在大氣壓作用下繼續(xù)浸泡 至少1小時(shí)，將無機(jī)鹽相變材料水溶液壓入膨脹石墨孔隙內(nèi)；最后取出浸泡飽和膨脹石墨， 浙去多余的液體；(4)蒸發(fā)將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱中，以蒸發(fā)多余水分，蒸發(fā)時(shí)間為12 48小時(shí)；對(duì) 于無機(jī)鹽水合物相變材料，烘箱溫度設(shè)置在相變溫度以上10 20° C，對(duì)于高溫?zé)o機(jī)鹽相 變材料，烘箱溫度設(shè)置在100 120° C；(5)粉碎先將液體和膨脹石墨浸漬物的混合物放入容器中，該液體與無機(jī)鹽相變材料不相溶， 混合物中液體和膨脹石墨浸漬物重量比例為2:1 4:1 ；用攪拌機(jī)攪拌0. 5 2分鐘，攪 拌機(jī)轉(zhuǎn)速為550 700RPM ；然后將混合物用200目以上的篩子過濾，將過濾物放入110 130° C烘箱，烘至恒重，即得到含有無機(jī)鹽相變材料的多孔石墨粉；(6)包覆采用聚合物基復(fù)合材料作為密封膜層包覆多孔石墨粉。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱功能復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有相變儲(chǔ)能功能的相變石墨粉及其制備方法。該相變石墨粉采用石墨和無機(jī)鹽相變材料，通過石墨插層、膨化、浸漬、蒸發(fā)、粉碎、包覆過程制備獲得，其中無機(jī)鹽相變材料分布于石墨孔隙中；所述無機(jī)鹽相變材料為無機(jī)鹽水合物或高溫?zé)o機(jī)鹽相變材料。由本發(fā)明制備的相變石墨粉具有導(dǎo)熱性能高、密封性能強(qiáng)、不易滲漏等優(yōu)點(diǎn)，并能方便地應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如用于生產(chǎn)建筑材料、制作高溫蓄熱裝置和電子散熱等，具有廣泛的用途。
文檔編號(hào)C09K5/06GK102031090SQ201010541388
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者張東 申請(qǐng)人:張東